Chlamydomonas reinhardtii

Chlamydomonas reinhardtii iki kamçı ile yüzen, çap olarak yaklaşık 10 mikrometre boyutunda olan tek hücreli bir yeşil algdir. Geniş kupa şeklinde kloroplast, geniş bir pirenoit, ışığı algılayan bir kuşgözü ve zengin hidroksiprolin glikoproteinlerden oluşan bir hücre duvarına sahiptir. Dünya çapında toprak ve tatlı suda fazlaca bulunmasına rağmen, C. reinhardtii öncelikle biyolojinin birçok alt alanında model organizma olarak kullanılmaktadır. Aydınlatıldığında, organik karbon ve kimyasal enerji olmadan büyüyebilir ve bunlar sağlandığında karanlıkta da büyüyebilir. C. reinhardtii ayrıca biyofarmasötik ve biyoyakıt alanlarında bir hidrojen kaynağı olarak da kullanılmaktadır.

Tarihi
İsim Rusçadan harf çevirisi nedeniyle birçok farklı türde telaffuz edilmektedir. Reinhardi, reinhardii ve reinhardtii aynı türü, C. reinhardtii ifade etmektedir.

Model organizma
Chlamydomonas hücre ve moleküler biyoloji alanında aşağıdaki gibi temel sorulara yanıt bulmak için model organizma olarak kullanılmaktadır.

Hücreler nasıl hareket eder?
Hücreler ışığa nasıl tepki verir?
Hücreler birbirini nasıl tanır?
Hücreler nasıl düzenli ve tekrarlanabilir kamçılı dalgabiçimleri oluşturabilir?
Hücreler kamçı uzunluklarını kontrol etmek için proteomlarını nasıl düzenler?
Hücreler mineral beslenme değişikliklerine nasıl tepki verir? (nitrojen, sülfür vb.)

C. reinhardtiinin mutasyon geçirmiş birçok türünün olduğu bilinmektedir. Mutasyon geçirmiş bu türler kamçı hareketliliği, fotosentez veya protein sentezini de içeren bir dizi biyolojik sürecin incelenmesinde yararlı olmuştur. Chlamydomonaslar normalde tek kromozomlu olduklarından, melezler meydana gelmeden mutasyonun etkileri hemen görülmektedir.

2007'de C. reinhardtii 'nin tüm çekirdeksel genom dizilimi yayınlanmıştır.

Channelrhodopsin-1, Channelrhodopsin-2 ve ışık kapılı katyon kanalı olarak çalışan proteinler orijinal olarak C. reinhardtiiden ayrı tutulmuştur. Bu proteinler ve bunlar gibi diğerleri optogenetik alanında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.

Üreme
Reinhardtii türünün bitkisel hücreleri 17 kromozomlu haploidlerdir. Nitrojen yoksunluğunda, gametler gelişmeye başlar. İki çiftleşme türleri vardır. Bunlar görünüşleri aynı olan ve bir diploid zigot oluşturmak için kaynaşabilen mt(+) ve mt(-) alellerdir. Zigot kamçılı değildir ve toprakta türün uyuyan formu olarak görev yapar. Işıkta zigot mayoza uğrar ve bitkisel yaşam döngüsüne devam edecek olan dört kamçılı haploid hücre meydana getirir.

İdeal büyüme şartları altında, yavru hücreler bazen eski hücre duvarından ortama salınmadan önce iki veya üç kez karyokinez geçirebilir. Bu yüzden, tek bir büyüme teşebbüsü ana hücre başına dört veya sekiz yavru hücreyle sonuçlanabilir.

Bu tek hücreli yeşil algin hücre döngüsü gece ve gündüzün birbirini kovalamasına benzetilebilir. Geçiş veya bağlılık noktası olarak belirlenen bir noktadan sonra süreç ışığa bağımsızken, büyüme safhasında ışığa bağlıdır.

Genetik
Birçok genomik kaynağın kamuya sunulmasıyla birlikte, model organizma olarak bu alge olan ilgi son zamanlarda artmıştır. Birleşik Devletler Enerji Bakanlığı, Joint Genome Enstitüsü tarafından hazırlanan Chlamydomonas nükleer dizilimi tasarısı "Chlre3" toplamda 120Mb boyutunda olan 1557 yapı iskelesinden oluşmaktadır. Neredeyse genomun yarısı her biri en az 1.6 Mb uzunluğunda olan 24 yapı iskelesinden oluşmaktadır. Nükleer genomun güncel derlemesi internette mevcuttur.

The ~15.8 Kb mitokondriyal genom (veritabanı erişimi: NC_ 001638) NCBI veritabanında mevcuttur. Tüm >200 Kb kloroplast genomu da internette mevcuttur.
Genomik dizilim bilgisinin yanında, cDNA kütüphanelerinde ve EST'lerde sentezlenmiş dizi bilgilerine de ulaşmak mümkündür. Yedi cDNA kütüphanesi çevrimiçi olarak mevcuttur. Clemson University Genomics Enstitüsü'nden bir BAC (Bakteriyel Suni Kromozom) derlemesi satınalınabilmektedir. Ayrıca >50 000 ve >160 000 EST'ye internette çevrimiçi ulaşılabilmektedir.

Evrim
Chlamydomonas evrimsel biyoloji ve ekolojinin farklı yönleri üzerinde çalışmak için kullanılmaktadır. Birçok doğal seçilim deneyi için tercih edilen bir oganizmadır çünkü; (1) jenerasyon süresi kısadır, (2) hem heterotrof hem de ototrof bir organizmadır, (3) seksüel ve aseksüel olarak çoğalabilir, (4) zaten halihazırda zengin genetik bilgisi mevcuttur.

Chlamydomonas ile yapılmış evrimsel çalışmaların örnekleri seksüel üreme evrimini, mutasyonların uygunluk etkilerini ve CO2'in farklı seviyelerindeki adaptasyon etkilerini içermektedir.

DNA Transformasyon Yöntemleri
Gen transformasyonu kloroplasttaki homolog rekombinasyon ve çekirdekteki heterolog rekombinasyon ile meydana gelir. C. reinhardtii kloroplast genomu mikroprojektil partikül bombardımanı ya da her ne kadar çok etkili olmasa da cam boncuk ajitasyonu kullanılarak transforme edilebilir. Nükleer genom hem cam boncuk ajitasyonu ile hem de elektroporasyon yöntemi ile transforme edilmiştir. Biyolistik prosedür DNA'nın kloroplast genomuna girmesinin en etkili yolu olarak görülür. Bunun nedeni kloroplastın, mikroprojektile büyük bir hedef sağlayarak, hücrenin hacminin yarısından fazlasını kaplamasıdır.
Elektroporasyon, DNA'yı nükleer genoma, cam boncuk yöntemi ile elde edilenden iki kat daha fazla maksimum transformasyon frekanslarıyla, yerleştirmede en etkili yol olarak görülmüştür.

Biyofarmasötik Üretim
Chlamydomonas reinhardtii memeli serum amiloid proteini, insan antikoru, insani vasküler endotelyal büyüme faktörü, potansiyel bir tedavi olan HPV 16 aşısı, sıtma aşısı ve kanser tedavisinde kullanılmış kompleks psikotrop madde üretiminde kullanılır.

Hidrojen Üretiminin Temiz Kaynağı
1939 yılında, o dönem Chicago Üniversitesi'ne atanmış olan Alman araştırmacı Hans Gaffron (1902–1979) tek hücreli yeşil alglerin hidrojen metabolizmasını keşfetmiştir. Chlamydomonas reinhardtii ve diğer bazı yeşil algler, belli şartlar altında, oksijen üretmeyi keser ve onun yerine hidrojen üretir. Sadece oksijen yokluğunda aktif olan hidrogenaz enzimi tarafından gerçekleştirilen bu reaksiyon kısa ömürlüdür. Bir dahaki 30 yıl boyunca Gaffron ve takımı algler tarafından yapılan bu fotosentez hidrojen üretiminin temel mekanikleri üzerinde çalışmıştır.

Hidrojen üretimini artırmak için, araştırmacılar tarafından kullanılan birkaç yöntem vardır.
Birincisi hidrogenazın fotosentezden ayrımıdır. Bu yöntem ile oksijen birikimi, hidrojen üretimini engelleyemez. Hidrogenaz enziminin yapısını değiştirerek bir adım daha ileri gidilirse, hidrogenazı, oksijene duyarsız yapmak mümkün hale gelir. Bu sürekli bir hidrojen üretimini mümkün kılar. Bu üretim için ihtiyaç duyulan elektron akımı, bu safhada, artık şeker üretiminden gelmez. Onun yerine kendi nişasta stoğundan alınır.
İkinci yöntem ise hidrogenazın genetik manipülasyonu boyunca, geçici olarak fotosentez sürecinin kesilmesidir. Bu, oksijenin hidrojen üretimini durduracak bir seviyeye ulaşmasını engeller.
Üçüncü yöntem (1950'de araştırmacılar tarafından başlıca araştırılmış yöntem) alg hücrelerinin fotosentetik aktivitesi tarafından üretilen O2'nin, kimyasal ya da mekanik olarak ortadan kaldırılmasıdır. Bunlar O2 emicilerini, eklenmiş indirgeyici kullanımını, durağan gazlar ile bakteri kültürlerinin tasfiyesini içerir. Fakat bu yöntemler doğal olarak ölçülebilir değildir ve uygulamalı sistemlere uygulanmayabilir.
Dördüncü yöntem oksijen üretiminden hidrogenaz eylemini bakır tuzlar kullanarak ayırmaktır. Bu yöntem araştırma aşamasındadır.

Kaynakça